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용광로가 그렇게 뜨거운데, 어떻게 안 녹을 수가 있어요?

STEEL Talk 14

용광로가 그렇게 뜨거운데, 어떻게 안 녹을 수가 있어요?

2020/01/16

STEEL Talk에서는 STEEL(철강)은 물론 Science, Technology, Energy, Environment and Life에 대한 궁금증과 호기심을 재미있는 이야기로 풀어드립니다.

굴뚝 모양의 용광로 내부 온도는 약 1500℃. 용광로에 관한 이야기는 그동안 여러 번 소개해드렸었죠. 아마 오늘 질문은 용광로 해부학 콘텐츠(링크)를 열심히 본 친구가 아닐까 추측되는데요~

‘용광로는 과연 얼마나 뜨거울까?’ 도저히 상상하기도 어렵습니다. 그렇다면 이 용광로는 그렇게 뜨거운 불과 쇳물에 닿아 있으면서 어떻게 녹지 않을 수 있는 걸까요? 오늘 포스코 뉴스룸에서 그 해답을 알려드릴게요!

l 미션, 뜨거운 쇳물을 담아라! 해답은 내화물(耐火物)

자자, 먼저 온도 이야기를 잠깐 해보겠습니다. 얼음은 0℃ 이상에서 녹아 물이 되지만, 철의 원료인 철광석은 1535℃가 되어야 쇳물로 바뀝니다. 아주아주 뜨겁기 때문에 용광로 안에 가두어서 녹여야 해요.

그런데 그 뜨거운 쇳물을 가두어 놓으려고 하니, 너무 뜨거워 사용할 수 있는 재료가 많지 않았습니다. 다행히 우리의 영리한 선조들은 불을 만드는 방법을 터득할 때, 그 불이 대부분의 것을 태우거나 녹이더라도 돌과 모래는 태우지 못한다는 것을 발견했어요. 모래나 돌을 쌓아서 불을 가두어 놓고 불이 번지지 않도록 한 것이죠. 그렇게 도자기와 그릇 등을 만들 때나, 청동을 주조하고 칼을 만들 때도 돌과 모래를 활용했다고 합니다.

▲ 불이 모래를 태우거나 녹이지 못하는 원리를 활용한 도자기 가마

이처럼 불에 타지 않는 모래와 돌을 섞어 만든 재료를 내화물(耐火物)이라고 합니다. 내화물이 뭐냐고요? 낯선 용어일 수도 있는데, 실내화에 쓰이는 그런 용어는 아니고요~^^; 내화물이란 견딜 내(耐), 불 화(火), 물건 물(物)의 한자어인데요. ‘높은 온도에서 견디는 물질’이라는 뜻이랍니다. 여기서의 높은 온도는 1580℃ 이상을 말해요. 쇳물이 만들어진 용광로 안의 온도는 약 1500℃, 내화물이 견디는 온도는 1580℃이니 용광로가 녹지 않는 거랍니다.

l 심화학습!! 내화물에 대해 알아봅시다

내화물은 형상, 화학적 성질, 열처리 방식에 따라 종류를 나눌 수 있어요. 크게는 벽돌처럼 만들어 사용하는 정형내화물, 포대에 담아 시멘트처럼 사용하는 부정형내화물로 구분합니다. 용광로에는 정형내화물을 사용해요.

그렇다면 이러한 내화물은 무엇으로 만들어졌는지 좀 더 자세히 살펴볼까요? 과거 초창기 내화물은 주원료로 점토, 카오린, 보크사이트, 실리카, 마그네사이트, 흑연 등의 천연 원료를 사용했어요. 그러다 점차 내화물의 사용 분야가 넓어지고, 기능이 발달하면서 천연원료만으로는 질적, 양적 요구 수준을 만족할 수 없게 되었다고 해요.

뮬라이트, 고순도 알루미나, 스피넬, 해수를 이용한 마그네시아, 탄화규소, 질화규소와 같이 합성원료를 만드는 기술이 개발되면서 마침내!! 내화물의 고급화, 고기능화가 시작되었답니다.

▲ 벽돌처럼 만들어 사용하는 정형내화물. 내화물의 기술이 개발되면서 이처럼 다양한 모양의 내화물을 만드는 것이 가능해졌어요!

내화물은 사용하는 환경에 따른 다양한 특성이 요구되는데요. 간단히 살펴보자면, 용광로가 있는 제선 공정에서는 고강도, 내마모성, 저열전도성, 내가스성 등이 필요하고, 쇳물을 깨끗하게 정련하는 제강 공정에는 내열충격성, 내침식성, 저열팽창성 등이 필요하답니다. 내화물은 하나의 특성을 높이면 다른 특성이 낮아지는 관계를 가지고 있어요. 내화물은 이러한 관계 속에서 사용 환경에 따른 적절한 특성 합의점을 찾아서 사용한답니다.

l 그럼 내화물은 절대 닳지 않는 걸까?

그렇다면 이쯤에서 ‘용광로를 만드는 내화물은 불에도 녹지 않고 거뜬하니까 닳지도 않는 걸까?’라는 궁금증이 생긴 친구들도 있을 텐데요. 1500℃ 이상의 쇳물과 닿고, 필요에 따라 1800℃까지 온도를 올려 쇳물을 정련하는 공정을 거치기 때문에 내화물의 손상을 완전히 막을 수는 없답니다. 이는 내화물의 사용 기간이 길어질수록 손상량이 증가하는 관계를 가지기 때문이랍니다.

▲ 용광로는 이렇게 생겼어요!

우리나라는 국토 크기가 작고 내화물의 원료 매장량이 적기 때문에 내화물 원료 중 일부를 중국 등을 통해 수입하고 있어요. 전세계 원료 가격이 증가함에 따라 내화물 가격도 증가한답니다. 포스코는 이러한 문제를 해결하기 위해 그룹사인 ㈜포스코케미칼을 통해 이런 고급 내화물들을 개발함으로써 알맞는 제품을 적기에 공급 받고 있다는 사실! 오늘의 STEEL Talk 코너를 함께 살펴본 친구들 중 철강 박사님이 탄생하여 그 획기적인 기술의 주인공이 될 수도 있겠죠? 그럼 다음 스틸톡에서 만나요~^^

* 도움말 주신 분: 포스코 공정엔지니어링연구소 제강연구그룹 이영주 책임연구원

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